Side: 1 av 17 Til: Fra: Ane Eikehaugen, Sandnes kommune Bård Venås, Norconsult AS Dato: 29. juli 2007 VINDANALYSER FOR SANDNES IDRETTSPARK SAMMENDRAG: Vindanalyser er utført for Sandnes idrettspark for å undersøke virkningen av ny fotballhall på vindforhold ved eksisterende friidrettsbane og kunstgressbane. Det er sett på forholdene slik de er i dag og for to ulike alternativer til fotballhaller. Vurderingene er gjort i lys blant annet av at anleggingen av kunstgressbane i området, med fjerning av skog mot nord, skal ha medført en betraktelig forverring av vindforholdene. Konklusjonene fra analysene er at begge de skisserte hallene vil medføre til dels betydelig dårligere vindforhold ved de dominerende vindforholdene sommerstid. Ulike årsaker og konsekvenser av dette blir diskutert. Videre diskuteres også mulige andre alternativer for å kunne bygge en fotballhall med mindre konsekvenser for vindforholdene. Alternativer til haller og eksempler på resultater.
Side: 2 av 17 BAKGRUNN: Selv om Sandnes er relativt vindutsatt område, har vindforholdene på Sandnes Stadion tidligere vært ansett som relativt gode, både med hensyn til friidrett og opplevd komfort for tilskuere. Etter at kunstgressbanen ble anlagt på området og det ble laget en klaring i skogen ut mot det åpne området mot nord, skal disse forholdene ha endret seg sterkt i negativ retning. Dette vindstudiet er utført i forbindelse med planlegging av bygging av en innendørs fotballhall i idrettsparken, for å vurdere mulige konsekvenser av ulike alternativer til hall og hallplassering på framtidige vindforhold. Figur 1 Ortofoto over området, før kunstgressbanen ble anlagt. Stiplet sirkel viser området hvor skog er fjernet. Figur 2 Flyfoto tatt under byggingen av kunstgressbanen, som viser åpning av skogen mot nord.
Side: 3 av 17 GENERELT OM VINDEN I OMRÅDET Vindforholdene i Sandnes-området kan antas å ligge relativt nær hvordan de er på Sola flyplass. Forholdene derfra er godt kjent fra lang tids kontinuerlige vindmålinger, og vi har derfor basert våre vurderinger på statistikken fra Sola. Figur 3 viser vindens middelhastighet over året og hvordan denne varierer avhengig av vindretning. Gjennomsnittlig vindstyrke på Sola, for alle retninger totalt, er 4.5 m/s. For retninger f.o.m. sørøst (SØ) t.o.m. vest (V) er gjennomsnittlig vindstyrke ca. 5 m/s. Vinden er enda kraftigere enn dette i retningene rundt nordvest (NV) og faktisk over 6 m/s fra nordnordvest (NNV). Vind fra nordøst (NØ) er derimot relativt svak, med gjennomsnittlige hastighet på ca. 2.5 m/s. Vindstyrke og -retning varierer med hensyn til hvor hyppig de forekommer. Disse sammenhengene er vist med en såkalt vindrose i Figur 4. En kan se at vinden klart hyppigst kommer fra to ulike karakteristiske retningsområder, hhv. fra mellom sørøst (SØ) og sør (S), og fra mellom vest (V) og nord (N). I Figur 5 vises vindrosen fordelt på årets måneder. Generelt sett kan en si at den dominerende vind i traktene er fra vestlige til nordlige retninger i sommerhalvåret og fra sørlig til sørøst om vinteren. Forholdene variere allikevel så mye at begge de karakteristiske hovedretningene forekommer for alle årets måneder. Vindstyrken som er målt på Sola og som oppgis i værmeldinger etc. er vindstyrke 10 meter over bakken i åpent terreng. Generelt sett øker vindhastigheten med høyde over bakken. Figur 6 viser en kurve over hvordan vinden typisk stiger med høyde for et relativt flatt og åpent område somsandnes. Vi ser at når vinden er 4.5 m/s i 10 meters høyde er den omtren 3.5 m/s i 2 meters høyde over bakken, dvs. i den høyde personer oppholder seg. N NNV 6 m/s NNØ NV 5 m/s 4 m/s NØ VNV V 3 m/s 2 m/s 1 m/s 0 ØNØ Ø VSV ØSØ SV SØ SSV SSØ S Figur 3 Gjennomsnittlig vindstyrke for ulike vindretninger på Sola. Gjennomsnitt over alle retninger (dvs. hele året ) er vist med stiplet strek.
Side: 4 av 17 NV NNV 3 % 2 % N NNØ NØ Figur 4 Vindrose fra Sola for ulike hastighetsintervaller VNV V 1 % 0 % ØNØ Ø 0.1-2 m/s 2.1-4 m/s 4.1-6 m/s 6.1-8 m/s 8.1-10 m/s > 10 m/s \\ VSV ØSØ SV SØ SSV SSØ S VNV V NV NNV 16 % 14 % 12 % 10 % 8 % 6 % 4 % 2 % 0 % N NNØ NØ ØNØ Ø januar februar mars april mai juni juli august september oktober november desember Figur 5 Vindrose fra Sola for alle årets måneder. VSV ØSØ SV SØ SSV SSØ S 20 18 Figur 6 Økning av vindhastighet med høyde over bakken. 16 Høyde over bakken [m] 14 12 10 8 6 Gjennomsnittlig vindhastighet i målinger/værmelding (4.5 m/s) 4 2 0 0 1 2 3 4 5 Vindhastighet [m/s] Vindhastighet i oppholdshøyde på samme tid (ca. 3.5 m/s)
Side: 5 av 17 VINDSKJERMING Innen friidrett er den vanlig benyttede grenseverdien for vind 2 m/s. Siden den gjennomsnittlige vindstyrken i området er 4.5 m/s, er det dermed nødvendig med en forholdsvis god vindskjerming av en friidrettsbane selv ved helt vanlig vind. Skjerming mot vind kan grovt sett sies å ha virkning en distanse nedstrøms på ca. 10 ganger høyden av vindskjermen. Dette innebærer at vindskjerming i idrettsparken typisk må ha en høyde på 10 til 20 meter, dvs. for å ha god virkning over distanser på 100 til 200 meter. Skog er i denne sammenheng gunstig vindskjerming ut fra to ulike betraktninger. For det første antas det at det er lite ønskelig å konstruere bygg med en høyde på 20 meter over terrenget i dette området. Den eksisterende skogen har derimot en slik høyde og anses av de fleste å passe godt inn i landskapet. Den andre, svært viktige, fordelen med skog er at skogen bremser vinden på en annen måte enn det bygninger gjør. Dette skyldes at vinden presses jevnere rundt og over et skogholt, enn hva tilfellet er er for en bygning. Dette skyldes av at en god del av vinden slipper inn i skogen og deretter presses/løftes langsomt opp gjennom tretoppene etter som vinden bremses opp av luftmotstanden til trærne. Dette fører til en mykere avbøyning og av vinden, og dermed at det skapes mindre turbulens i bakevja bak skogholtet, enn hva en finner bak en bygning. Typisk øker vindskjermingen av et skogholt fra den vindutsatte siden og innover i skogen fram til 3-4 ganger høyden på trærne. Med trehøyde på 20 meter som i Sandnes idrettspark øker dermed skjermingen opp til et maksimum hvis skogbeltet er minst 60-80 meter bredt.
Side: 6 av 17 BEREGNINGSMETODIKK Beregninger av vindforholdene som rapporteres her er utført ved CFD-simuleringer (CFD fra engelsk: Computational Fluid Dynamics). Betegnelsen beskriver 3D datasimuleringer hvor vindfeltet i et lokalt område beregnes direkte ut fra de grunnleggende fysiske likningene for bevegelse av luft ved hjelp av avanserte beregningskrevende dataprogrammer. Simuleringer kan ses på som å utføre vindtunnelforsøk på datamaskin. I forhold til vindtunneler har metodikken derimot den store fordelen at en har direkte tilgang på data fra hele området og dermed kan analysere og presenter resultater langt mer effektivt. CFD anvendes innen en rekke områder og har f.eks. siden tidlig på 90-tallet vært standardverktøy for vurderinger av vindforhold offshore i Norge. For mer informasjon om denne typen simuleringer se f.eks. http://cfd.norconsult.no. Programvaren som er benyttet i dette arbeidet er ANSYS CFX (http://www.ansys.com), som er av de absolutt verdensledende på området. Simuleringer er utført for tre ulike situasjoner, henholdsvis nåværende situasjon alternativ Sandnes Ulf alternativ 1 Situasjonene er illustrert i Figur 7 til Figur 9 som med skjermbilder av 3D modellene benyttet i simuleringene. Skogen rundt de foreslåtte hallene er i beregningene forutsatt ryddet i en avstand på 10 meter ut fra byggene. I tillegg til skogholt, tribuner og lokale bygninger, er en del bygninger lenger vekk tatt med for å skape realistiske vindforhold inn mot området. Beregningene er utført for en vindhastighet på 4.5 m/s i 10 meters høyde. Resultatene rapporteres både som vindhastighet og som en relativ vindstyrke. De lokale verdiene ved hjelp av fargeskalaene i figurene (som vindhastighet til venstre og relativ vindstyrke til høyre). Figurene leses av ved at verdien i et gitt punkt svarer til tallverdien som står ved siden av samme farge i skalaene. Med uttrykket relativ vindstyrke menes forholdet i prosent mellom den lokale vindhastigheten i terrenget og den som kommer inn mot området (dvs. i 10 meters høyde, jfr. Figur 6). Ved å benytte en slik skala kan en enklere benytte simuleringene til å analysere resultatene for ulike vindstyrker. En relativ vindstyrke på 50% innebærer f.eks. at hastigheten er halvvert. Et sted hvor dette er situasjonen, kan en videre anslå at for å overholde friidrettskravet på 2 m/s, må vindstyrken ikke være over 4 m/s osv.
Side: 7 av 17 Figur 7 Nåværende situasjon. Figur 8 Alternativ Sandnes Ulf. Figur 9 Alternativ 1.
Side: 8 av 17 RESULTATER Simuleringsresultatene diskuteres først for hver av de tre situasjonene separat. Figurene er plassert tre og tre sammen, slik at en enklere kan sammenlikne mellom de ulike alternativene. Det er fokusert på vind fra nord (N) og nordnordvest (NNV) da det er for disse vindretningene påvirkningene er størst. Nåværende situasjon Figur 10 og Figur 13 viser vindstyrken for nåværende situasjon for vind fra henholdsvis N og NNV. Det mest karakteristiske en kan se i disse figurene er hvordan vinden oppnår høy hastighet inn over kunstgressbanen fra åpningen i skogen mot nord. Hastigheten inn over banen er faktisk høyere enn det en finner i det åpne terrenget lenger nord. Dette skyldes at åpningen i skogen ikke bare slipper vinden gjennom, men også skaper en relativt smal passasje hvor mye vinden presses igjennom og dermed akselereres. I tillegg stiger bakken i dette området, noe som ytterligere bidrar til å akselerere vinden. Effekten er også illustrert i Figur A- 1 i Vedlegg A, hvor vinden vises med vektorer som illustrerer den lokale retningen til vinden. Når det gjelder friidrettsstadion vil vinden gjennom passasjen til kunstgressbanen ha en viss virkning på den sørvestlige enden av banen. Virkningen på vindstyrken er derimot ikke så kritisk som den kunne ha vært, da retningen på åpningen ligger slik at de høyeste hastighetene finnes noe til siden for stadion. Videre skjermer tribunen og de to byggene ved siden av en del for vinden. Vinden som skjermes av tribunen og disse bygningene fører derimot til en økning av turbulensen på denne delen av banen. Dette er illustrert i Figur 16 som viser turbulent hastighet. Denne størrelsen er det en i statistikken kaller standardavvik (et gjennomsnittlig variasjon). Litt forenklet kan en si at de største vindkastene her er av størrelsen ± 2-3 ganger denne hastigheten. Dette er på et nivå som vil være tydelig merkbart i dette området. Den høyere turbulensen her er forårsaket av åpningen i skogen mot nord. I den andre enden av friidrettsbanen, mot nordøst, slipper en del vind inn gjennom området hvor skogen har kortere utstrekning i vindretningen. Det bør her påpekes at tettheten til skogen, som er avgjørende for vindskjermingen, er forholdsvis grovt anslått i beregningene. Vurderingene er gjort ut fra overslagsmessige vurderinger ved befaring i området. Uansett om tallverdien er noe usikker, føler vi oss sikre på de kvalitative konklusjonene rundt disse forholdene. Vindforholdene på denne delen av friidrettsbanen antas å være lite påvirket av åpningen i skogen ved kunstgressbanen, og nær slik den var før kunstgressbanen ble anlagt. Alternativ Sandnes Ulf Figur 11 og Figur 14 og viser vindstyrken for Alternativ Sandnes Ulf for vind fra henholdsvis N og NNV. To viktige hovedpoenger observeres ses når det gjelder dette alternativet: På den positive siden tettes noe av åpningen i skogen mot kunstgressbanen igjen av bygget og reduserer hastigheten på kunstgressbanen ved vind fra NNV. En svært negativ effekt skapes derimot av formen på hallen. Det buede taket virker ved vind fra nordlige retninger, som kommer skrått innover mot lengderetningen av hallen, som en vinge og fører vind ned mot bakken. Ved vind fra rett nord (N) gir dette seg utslag i høye vindhastigheter i den sørlige enden av kunstgressbanen, dvs. nærmest stadion. Ved vind fra NNV slår vinden fra taket ned ute på friidrettsbanen og kan ses i Figur 14 som en rødt område her, dvs. hvor vindstyrken tilsvarer åpent terreng. Dette er ytterligere illustrert i Figur A- 2 hvor vinden vises med strømlinjer ( partikkelbaner ). Effekten skyldes en kombinasjon av den buede formen på taket av hallen og at hallen ligger så langt ned i terrenget at baksiden av taket nesten er i høyde med banene. En kunne ha sett for seg at hallen hadde en
Side: 9 av 17 annen form som ikke ga denne effekten, f.eks. med høyere vegger og flatere tak, men hallen måtte uansett ha vært betraktelig høyere i forhold til banen for å skape skjerming av vinden. Dette har blitt diskutert under arbeidet, men siden det vurderes dit hen at hallens vegger bør ha en høyde på minst 10 meter over nivået til banene er det valgt å ikke gå videre med dette. En annen årsak er at et slikt bygg sannsynligvis vil introdusere områder med vindproblemer lokalt bak hjørnene hvor vinden vil bli kraftig akselerert. Figur 17 viser turbulensforholdene ved vind fra NNV. En kan her se at store deler av friidrettsbanen vil få kraftig økt turbulens ved en slik utbygning. Dette har sammenheng med strømningen over og rundt hallen, slik en kan se illustrert i Figur A- 2. Alternativ 1 Figur 15 og Figur 18 viser vindstyrken for Alternativ 1 for vind fra henholdsvis N og NNV Ved dette alternativet er det antatt at skogen må fjernes helt i en mindre sone ved den nordøstlige delen av friidrettsbanen. Denne åpningen medfører økte vindhastigheter på denne delen av banen, på en tilsvarende måte som åpningen til kunstgressbanen skaper i dag, om enn ikke på langt nær så kraftig. Virkningen er sterkest når vinden kommer fra nord rett inn imot den nye åpningen i skogen. Det er høyere hastigheter i dette området av banen også i dag, der skogen har forholdsvis kort utstrekning. Dette økes kraftig ved å fjerne skog ytterligere her. Virkningen er noe svakere ved vind fra NNV, men også da markant. Virkningen på turbulensforholdene er også merkbare. Dette kan ses ved å sammenlikne Figur 16 og Figur 18, som viser turbulensnivå for nåsituasjonen og Alternativ 1. I den sørvøstlige delen av banen er forholdene forholdsvis like som i dag, mens det er en økning fra lite til noe turbulens i den nordvestlige enden.
Side: 10 av 17 Figur 10 Vind fra nord (N) ved nåværende situasjon. Figur 11 Vind fra nord (N) for alternativ Sandnes Ulf. Figur 12 Vind fra nord (N) for alternativ 1.
Side: 11 av 17 Figur 13 Vind fra nordnordvest (NNV) ved nåværende situasjon. Figur 14 Vind fra nordnordvest (NNV) for alternativ Sandnes Ulf. Figur 15 Vind fra nordnordvest (NNV) for alternativ 1
Side: 12 av 17 Figur 16 Turbulens ved vind fra nordnordvest (NNV) for nåværende situasjon. Figur 17 Turbulens ved vind fra nordnordvest (NNV) for alternativ Sandnes Ulf. Figur 18 Turbulens ved vind fra nordnordvest (NNV) for alternativ 1.
Side: 13 av 17 KONKLUSJONER OG IDEER Eksisterende forslag til haller Det virker klart at begge hallene som er undersøkt representerer problemer mht. de nordlige vindretningene, som antas å være de viktigste med hensyn til det å oppnå brukbare vindforhold sett over året som helhet. Alternativ Sandnes Ulf Når det gjelder alternativ Sandnes Ulf vil generelt en slik kraftig buet form, med denne beliggenheten, høyden og orienteringen langs kunstgressbanen, være svært ugunstig. Dette fordi området i praksis åpnes opp enda mer mot nord enn hva situasjonen er i dag. Relativt mye skog må fjernes og hallen vil i praksis være lav i forhold til den vindskjermingen som finnes i dag. Det buede taket bidrar i denne sammenhengen ytterligere til å redusere vindskjermingen og skape kastevinder ved vind fra nordlige og nordvestlige retninger. Det har vært foreslått fra oss å trekke hallen lenger nordover, men dette vil ikke være mulig da det vil kolliderer med hovedledningene for vannforsyningen i området. Det har også vært vurdert hvorvidt det å gi hallen en annen form, f.eks. uten det buede taket vil kunne bedre forholdene. Konklusjonen på dette er at for å gi god effekt på vindforholdene må hallen uansett gjøres betraktelig høyere i forhold til terrenget, og dette er derfor ikke gått videre med en slik løsning. Alternativ 1 Det mest nærliggende forslag er om hallen i alternativ 1 evt. kan flyttes noe nordover slik at eksisterende skog bevares. Dette vil kunne medføre at forholdene endres lite i forhold til dagens situasjon. Hvis skog må fjernes må evt. byggets høyde økes betydelig også for dette alternativet. Alternativ 2 Et alternativ som har vært diskutert, men det ikke er utført simuleringer for er det som er omtalt som Alternativ 2. Dette er en plassering lenger nord, anslagsvis ca. 100 meter nord for kunstgressbanen. Det er et tett skogområde i mellom kunstgressbanen og denne beliggenheten. Vår konklusjon er at en hall på dette stedet vil ha neglisjerbar virkning på vindforholdene på Stadion og kunstgressbanen. Skogens innvirkning Det bør vektlegges at det i størst mulig grad bør unngås å fjerne skog, da det er den velvokste skogen som per i dag gjør området relativt vindskjermet - i det som ellers er et svært vindutsatt område. Annen form for vindskjerming Beplantning av ny skog for å skjerme er naturligvis problematisk fordi det kan ta lang tid å få tilstrekkelig høyde på trærne. Et annet alternativ kan i den sammenheng være å benytte vindskjermer ( vindseil ) i form av nett på utvalgte steder. Slike produkter finnes og er i bruk spesielt for vindskjerming av jordbruks- og industriområder. Skjermene kan evt. demonteres når ny skog har vokst til. Slike innretninger vil uansett kreve betydelige konstruksjoner for å dimensjoneres for vindlastene i området. Typisk vil vindskjermer måtte være 5-10 meter høye.
Side: 14 av 17 Virkning på temperatur Økt vindstyrke påvirker også den opplevde temperatur i området, som er en funksjon av både temperatur og vindhastighet, og dermed folks følelse av komfort. Det er i tillegg mulig at også selve temperaturen er redusert ved å åpne opp skogen. Det er i denne sammenhengen mange relativt kompliserte fysiske forhold som påvirker temperaturen. Økt vindstyrke vil i de fleste tilfeller gjøre selve bakken kjøligere, noe som igjen bidrar til å senke temperaturen til luften. En annen fysisk effekt er at bakkens varmetap ved varmestråling til omgivelsene øker når området åpnes opp. (Dette er effekten som f.eks. gjør at det rimer lettere på en side av en bil som vender ut mot åpent terreng, enn den som står vendt mot en bygning eller høy vegetasjon.) Sist, men ikke minst fanger området der kunstgressbanen ligger nå mindre solvarme når skogen fjernes mot nord. Sandvika, 29. juli 2007 Dr.ing. Bård Venås
Side: 15 av 17 VEDLEGG A: YTTERLIGERE ILLUSTRASJONER Figur A- 1 Nåværende situasjon. Vind akselereres gjennom åpningen i skogen, vist med vektorer.
Side: 16 av 17 Figur A- 2 Alternativ Sandnes Ulf. Vind trekkes ned over taket på hallen og slår ned på banene. Vist med strømlinjer, dvs. baner luftpartiklene følger.
Side: 17 av 17 Figur A- 3 Alternativ 1. Vind presses også gjennom den nye åpningen i skogen ved hallen.